专利摘要

本发明提出一种深海底浊流多参数综合监测装置，主要包括水泥桩孔压监测、浊度光学监测、浮球流速监测、浊流沉积物取样四部分，可观测浊流的浊度、超孔压及流速等参数，可以实现同时实时传输原位监测，并实现在同一观测位置处的多项工作，避免普通工作时仪器随船运动产生取样与观测位置的不同。

权利要求

1.一种深海底浊流多参数综合监测装置，其特征在于，包括上下两部分，

所述下部包括水泥桩、水泥桩内嵌套管形成复合式孔压监测探杆，水泥桩竖直方向间隔夹有透水石环，透水石环外直径与水泥桩外径相同，透水石环内径与套管的外径相同；套管内壁在透水石环处安装内透水石及光纤光栅孔压传感器，该传感器底部与内透水石相连，上部与顶部透水石相连，上部海水通过顶部透水石进入到探杆内部，上部海水压力与海床沉积物孔隙压力作用于光纤光栅孔压传感器；

所述上部包括玻璃罩，玻璃罩内具有一柱孔，该柱孔底部与套管螺纹连接，柱孔顶部安装所述顶部透水石，玻璃罩内安装控制电路板、滑轨，散射光接收系统和发出入射光的红外激发光源分别通过安装座安装在所述滑轨上，通过调整安装座转向及两安装座在滑轨上的相对距离，从而调整光源发射与接收角度，入射光和散射光相交位置处为浊度监测区；

玻璃罩四周布设浊流沉积物取样器，取样器开关与凯夫拉缆线轴相连，凯夫拉缆尽头安装有浮球，浮球内置三轴加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的深海底浊流多参数综合监测装置，其特征在于：水泥桩每隔1m处夹有透水石环。

3.根据权利要求1或2所述的深海底浊流多参数综合监测装置，其特征在于：所述水泥桩长5m、外径50cm，所述套管长度为5m、直径为15cm，材质为316L型不锈钢钢管。

4.根据权利要求3所述的深海底浊流多参数综合监测装置，其特征在于：所述散射光接收系统包括顺次安装的光电感应器、收光板和滤光片。

5.根据权利要求4所述的深海底浊流多参数综合监测装置，其特征在于：所述套管为316L不锈钢钢管。

6.权利要求5所述的深海底浊流多参数综合监测装置，其特征在于：所述凯夫拉缆长度为30m。

说明书

技术领域

本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种深海底浊流监测装置及使用方法。

背景技术

深海底工程地质原位观测是海洋科学向深海进军的重要手段，对于揭示深海动力作用下现代沉积物发生的动态响应过程、深入认识海洋动力地质过程具有重要作用。

海底浊流与地球上另外一个主要沉积物搬运过程－河流相比，我们对浊流所知仍然甚少。浊流大多发生在深水区，现场观测研究成本与风险均很大；浊流发生的不可预见性，要求长期连续观测；浊流的破坏性，很多观测仪器非坏即失。湖泊和海底峡谷的流速慢、浓度低的小型浊流进行原位观测较为方便，但对大型浊流的认知仅有3例：Var峡谷，Zaire沉积扇，和中国台湾西南的峡谷/ 马尼拉海沟，而且这些仅有的资料还主要是依靠通信电缆的断裂顺序和钻孔样品分析。

由于浊流形成机制的不可预测性，海底浊流的观测研究要比湖底浊流的观测研究困难许多。海底浊流的现场观测主要是针对低速浊流，而且此类工作大部分是在海底峡谷里进行，海底浊流监测主要依靠浊度计、ADCP等设备，这些设备的缺点明显，只能实现浊流某一参数的短期监测，无法进行海底长期监测。到目前为止，还没有任何仪器能经受浊流冲击而不被破坏。

浊流是解决许多海洋地质学和沉积学基础科学问题的关键，又与海洋资源、能源和海底灾害防护等应用性研究息息相关。由于浊流的不可预测性和破坏性，如何在现场实时、连续地对浊流实施观测至今仍然是浊流研究的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海底浊流多参数综合监测装置，用于实现深海底浊流的浊度、流速、密度、海床孔压等多参数监测及取样，对于浊流的研究将提供重要的数据与沉积物样品。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种深海底浊流多参数综合监测装置，包括上下两部分，

所述下部包括水泥桩、水泥桩内嵌套管形成复合式孔压监测探杆，水泥桩竖直方向间隔夹有透水石环，透水石环外直径与水泥桩外径相同，透水石环内径与套管的外径相同；套管内壁在透水石环处安装内透水石及光纤光栅孔压传感器，该传感器底部与内透水石相连，上部与顶部透水石相连，上部海水通过顶部透水石进入到探杆内部，上部海水压力与海床沉积物孔隙压力作用于光纤光栅孔压传感器；

所述上部包括玻璃罩，玻璃罩内具有一柱孔，该柱孔底部与套管螺纹连接，柱孔顶部安装所述顶部透水石，玻璃罩内安装控制电路板、滑轨，散射光接收系统和发出入射光的红外激发光源分别通过安装座安装在所述滑轨上，通过调整安装座转向及两安装座在滑轨上的相对距离，从而调整光源发射与接收角度，入射光和散射光相交位置处为浊度监测区；

玻璃罩四周布设浊流沉积物取样器，取样器开关与凯夫拉缆线轴相连，凯夫拉缆尽头安装有浮球，浮球内置三轴加速度传感器。

进一步地，水泥桩每隔1m处夹有透水石环。

进一步地，所述水泥桩长5m、外径50cm，所述套管长度为5m、直径为15cm，材质为316L型不锈钢钢管。

进一步地，所述散射光接收系统包括顺次安装的光电感应器、收光板和滤光片。

进一步地，所述套管为316L不锈钢钢管。

进一步地，所述凯夫拉缆长度为30m。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明浊流监测装置主要包括水泥桩孔压监测、浊度光学监测、浮球流速监测、浊流沉积物取样四部分，可实现同时实时传输原位监测，实现在同一观测位置处的多项工作，避免普通工作时仪器随船运动产生取样与观测位置的不同。

本发明采用水泥桩的外壳，结合高强度316L不锈钢钢管以及高强度玻璃罩，结合取样器、浮球及凯夫拉缆，可在水下工作2-3年，具有实时传输的功能，可实现深海的特定区域的浊度、流速、密度、孔压、原位取样的多参数多功能综合观测；采用复合式孔压监测探杆，可实现海床沉积物的孔压的动态监测，水泥桩加不锈钢杆体的双重保护，可以防浊流的冲击破坏，保持探杆的稳定性，免受浊流的破坏。

附图说明

图1为本发明所述深海底浊流多参数综合监测装置整体结构示意图；

图2为本发明装置浮球分布图；

图3为本发明浮球在流速带动下流动示意图；

图4为本发明浊流浊度观测结构示意图；

以上各图中：1、水泥桩；2、玻璃罩；2-1、柱孔；3、套管；4、浊流沉积物采样装置；5、浮球；6、光纤光栅压差式孔压传感器；7、内透水石；8、密封圈；9、红外激发光源；10、散射光接收系统；11、模拟电路模块；12、光电感应器；13、应变鼓膜；14、取样器取样口；15、浊流监测区；16、凯夫拉缆； 17、凯夫拉缆线轴；18、透水石环；19、传输光纤；20、光纤水密接插件；21、光纤光栅解调仪；22、滑轨；23、安装座；24、激光发射光源；25、发光管座； 26、滤光片；27、收光板；28、三轴加速度传感器；29、采集系统电路板；30、取样器开关；31、进水通道；32、顶部透水石；33、FLASH芯片；34、平行激光； 35、水声通讯机；36、顶部进水通道；37、电水密接插件；38、配重。

具体实施方式

浊流在产生过程中，其流速与浊度之间的关系尚不明确，缺乏清晰的认识；浊流产生的沉积物采样对于研究浊流的产生、经过时的地层信息以及侵蚀淤积情况的研究具有重要意义；沉积物的超孔隙水压力是沉积物稳定性的决定因素，浊流的发生必然会引起沉积物的超孔隙水压力的变化。

本发明可在浊流发生时原位捕捉到其流速、浊度、沉积物孔压以及浊流的沉积物样品，原位观测到浊流影响下的超孔隙水压力变化，从而进一步分析浊流对地层破坏的机理，这对于海底光纤防止浊流的破坏研究具有重要意义。

本发明浊流监测装置主要包括水泥桩孔压监测、浊度光学监测、浮球流速监测、浊流沉积物取样四部分。装置整体采用水泥桩与高强度玻璃罩组合的结构，水泥桩和套管配合形成复合式超孔压监测探杆，玻璃罩与孔压监测探杆通过螺纹连接，玻璃罩内安装红外激发光源以及散射光接收系统，玻璃罩罩体上安装浊流沉积物采样装置，玻璃罩外部安装浊流流速监测浮球。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地说明。

如图1所示一种深海底浊流多参数综合监测装置，整体结构分上、下两部分。

下部包括5m长、直径50cm的水泥桩1，内嵌长度为5m、直径为15cm的316L 型不锈钢钢套管3形成复合式孔压监测探杆，其中套管包括5段，每段1米，各套管连接处放有密封圈8。杆体上安装透水石块7，水泥桩1竖直方向每隔1m 处夹有透水石环18，透水石环18外直径与水泥桩1外直径相同，透水石环18 内直径与钢套管的外直径相同，本实施例透水石环18外径为50cm，内径为15cm，高度为15cm，以确保只有孔隙水作用在传感器感压区域，沉积物无法进入。

探杆杆内装有压差式光纤光栅孔压传感器6，传感器底部通过进水通道31 与透水石7相连，透水石7传递海床孔隙水压力，传感器6顶部经过顶部进水通道36与顶部透水石32相连，上部海水通过顶部透水石32进入到探杆内部连接海水静压力，上部海水压力与海床沉积物孔隙压力作用在压差式光纤光栅孔压传感器6内的应变鼓膜13，应变鼓膜13感应两者压力之差(即超孔隙水压力)，采集到的超孔压信号经过传输光纤19，通过光纤水密接插件20传递至玻璃罩内的光纤光栅解调仪21，经过解调、采集，得到超孔压，存储于内部的FLASH芯片(33)。

参考图1及图4，上部为高强度透光玻璃罩2，玻璃罩2外径为150cm，顶部安装顶部透水石32。玻璃罩内安装控制电路板、滑轨22，散射光接收系统和发出入射光的红外激发光源分别通过安装座23安装在滑轨22上，红外激光发射光源和散射光接收系统可在安装座上的旋转、调节方位，该旋转调节结构为常规结构，此不赘述。调整两安装座23在滑轨22上的相对距离，从而调整光源发射与接收角度，即调整浊度监测区的范围。安装座23在滑轨22上的移动可通过伺服电机等驱动设备驱动。激发光源包括LED红外光源24和发光管座25，散射光接收系统包括顺次安装的光电感应器12、滤光片26、收光板27。浊度监测区15位于入射光和散射光相交60-90°位置处，红外光源发出平行激光34经过浊度监测区15，穿过浊流，遇到颗粒物改变光的传播方向，形成散射，从与入射光呈60-90°的方向进入到光学接收系统10，光的散射程度与悬浮物颗粒数量成正比，由此原理获得监测区的悬浮物浓度。经过收光板27和滤光片26 对反射光的控制以及选择性收集透过，到达光电感应器12，完成光电信号转换，完成浊流浊度的测量。

装置中部的四个方向各有一个浊流沉积物取样器4，取样器开关35与凯夫拉同轴缆线轴17相连，凯夫拉缆轴17上预先缠好30m的凯夫拉同轴缆16，凯夫拉同轴缆16尽头安装一个浮球5，浮球5下方悬挂配重38，浮球5与配重38 保持上下浮力平衡，浮球5内置三轴加速度传感器28，加速度信号可通过凯夫拉同轴缆16传输到采集系统电路板29，获得浊流流动的x、y、z三维的加速度，三轴加速度是描述浊流运动的动力学特征的最佳参数，是浊流速度的变化速率。同时，速度是浊流带动浮球运动的位置变化的变化速率。积分和导数是正好相反的过程，通过浮球内置的三轴加速度传感器获得浊流带动下的浮球三轴加速度，通过对加速度的一重积分和二重积分可获得浮球三个方向运动速度和位移。当大型浊流经过，海水流速达到预设值10m/s、20m/s、30m/s、40m/s时，浊流对浮球的拉力会分别到达预设的拉应力，不同预设拉应力的浮球会带重物流动，此时控制电路板29接收到凯夫拉同轴缆16的反馈，开始记录浮球5在浊流带动下运动的加速度时间曲线，当凯夫拉同轴缆16全部拉直时，凯夫拉同轴缆16 会给电路板29反馈，保存加速度随时间变化电信号数据，通过电水密接插件37 将数据传输、存储于玻璃罩内部的FLASH芯片33。当浮球5被海水带动开始流动，电路板29接收到信号，给取样器开关35发送到打开取样器口命令，取样器开关35打开，当凯夫拉同轴缆16全部伸长拉直时，电路板29接收到信号，给取样器开关35发送到关闭取样器口14命令，执行关闭取样器取样口14。本装置的浮球加速度监测单元，可以实现浊流发生时的三维加速度的动态数据，实时采集，能够采集到浊流发生时的加速度，在浮球5全部拉伸完毕后，通过浮球再次拉直后的加速度值判断流速大小，通过凯夫拉缆绳16与支架的夹角可判断流速的方向。

本发明可观测浊流的浊度、超孔压及流速等参数，实现同时实时传输原位监测，实现在同一观测位置处的多项工作，避免普通工作时仪器随船运动产生取样与观测位置的不同。在浊流经过装置布放区域时，玻璃罩内的红外激发光源发射红外激光，穿透玻璃罩和浊流监测区，由散射光接收系统接受，经过光电感应器，完成光电信号转换，得到浊度的测量。浊流作用于海床沉积物，引起海床的侵蚀淤积以及海床沉积物的超孔压变化，海床孔压通过透水石作用于压差式传感器下侧，上覆海水压力作用于传感器的上侧，两者在应变鼓膜13上下侧实现压力抵消，实现超孔压的测量。当浊流发生时，针对不同的浊流流速进行流速测量及相应取样，同一装置实现了不同流速下的浊流流速测定及相应取样。当浊流的流速超过10m/s、20m/s、30m/s、40m/s时，不同预存拉应力的凯夫拉缆16会被浮球5拉开，直到完全伸长，在凯夫拉缆被拉动的瞬间，系统程序开始采集流速变化。通过过程中电路对时间计算，得到浊流不同流速区段的实际流速，而且在凯夫拉缆拉开的同时，会触动取样器开关30，带动沉积物取样器取样口14的张开，完成浊流沉积物的取样，取样完成后，取样器开关30 感应，自动关闭取样口14。本装置可实现浊流经过时的精准采样，可以保证在浊流发生的同时，打开采样器开关30，实现精准取样，保证采集到的样品为浊流发生时的悬浮沉积物，这对于浊流的发生机理研究至关重要。

在系统完成多次浊流的样品采集后，间隔一定时间，可以通过调查船到调查区域，通过船载水声通讯机，发送信号对系统采样情况进行问询，通过水声通讯机35反馈信号可进行下一步判断。水声通讯反馈，已经有采样系统收集到浊流样品，可决定是否发送水声信号，使上部玻璃罩2完成回收，下部复合式孔压探杆遗留在原处。后期，可通过ROV精准布放完成新的玻璃罩2的安装布放，以实现对浊流的继续监测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

一种深海底浊流多参数综合监测装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。